了解木工刀具材料,是懂木工刀具的基礎!

導讀:
刀具材料及其選用:刀具材料主要指刀具切削部分的材料。刀具切削性能的優劣,直接影響著生產效率、加工質量和生產成本。而刀具的切削性能,首先取決于切削部分的材料;其次是幾何形狀及刀具結構的選擇和設計是否合理。

刀具材料及其選用:刀具材料主要指刀具切削部分的材料。刀具切削性能的優劣,直接影響著生產效率、加工質量和生產成本。而刀具的切削性能,首先取決于切削部分的材料;其次是幾何形狀及刀具結構的選擇和設計是否合理。

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一、對刀具材料的基本要求

在切削過程中,刀具切削部分不僅要承受很大的切削力,而且要承受切屑變形和摩擦產生的高溫,要保持刀具的切削能力,刀具應具備如下的切削性能。

1. 高的硬度和耐磨性

刀具材料的硬度必須高于工件材料的硬度。常溫下一般應在HRC60以上。一般說來,刀具材料的硬度越高,耐磨性也越好。

2. 足夠的強度和韌性

刀具切削部分要承受很大的切削力和沖擊力。因此,刀具材料必須要有足夠的強度和韌性。

3. 良好的耐熱性和導熱性

刀具材料的耐熱性是指在高溫下仍能保持其硬度和強度,耐熱性越好,刀具材料在高溫時抗塑性變形的能力、抗磨損的能力也越強。刀具材料的導熱性越好,切削時產生的熱量越容易傳導出去,從而降低切削部分的溫度,減輕刀具磨損。

4. 良好的工藝

為便于制造,要求刀具材料具有良好的可加工性。包括熱加工性能(熱塑性、可焊性、淬透性)和機械加工性能。

5.良好的經濟性

二、常用刀具材料

刀具材料的種類很多,常用的有工具鋼包括:碳素工具鋼、合金工具鋼和高速鋼)、硬質合金、陶瓷、金剛石和立方氮化硼等。

碳素工具鋼和合金工具鋼,因耐熱性很差,只宜作手工刀具。

陶瓷、金剛石和立方氮化硼,由于質脆、工藝性差及價格昂貴等原因,僅在較小的范圍內使用。

目前最常用的刀具材料是高速鋼和硬質合金。

1. 高速鋼

是在合金工具鋼中加入較多的鎢、鉬、鉻、釩等合金元素的高合金工具鋼。它具有較高的強度、韌性和耐熱性,是目前應用最廣泛的刀具材料。因刃磨時易獲得鋒利的刃口,又稱“鋒鋼”。

高速鋼按用途不同,可分為普通高速鋼和高性能高速鋼。

1)普通高速鋼 普通高速鋼具有一定的硬度(62~67 HRC)和耐磨性、較高的強度和韌性,切削鋼料時切削速度一般不高于50~60m/min,不適合高速切削和硬材料的切削。常用牌號有W18Cr4V、W6Mo5Cr4V2。

2)高性能高速鋼 在普通高速鋼中增加碳、釩的含量或加入一些其它合金元素而得到耐熱性、耐磨性更高的新鋼種。但這類鋼的綜合性能不如普通高速鋼。常用牌號有9W18Cr4V 、9W6Mo5Cr4V2、 W6Mo5Cr4V3等。

2. 硬質合金

硬質合金是由硬度和熔點都很高的碳化物,用Co、Mo、Ni作粘結劑燒結而成的粉末冶金制品。其常溫硬度可達78~82 HRC,能耐850~1000℃的高溫,切削速度可比高速鋼高4~10倍。但其沖擊韌性與抗彎強度遠比高速鋼差,因此很少做成整體式刀具。實際使用中,常將硬質合金刀片焊接或用機械夾固的方式固定在刀體上。

我國目前生產的硬質合金主要分為三類:

1) K類(YG)

即鎢鈷類,由碳化鎢和鈷組成。這類硬質合金韌性較好,但硬度和耐磨性較差,適用于加工鑄鐵、青銅等脆性材料。常用的牌號有:YG8、YG6、YG3,它們制造的刀具依次適用于粗加工、半精加工和精加工。數字表示Co含量的百分數,YG6即含Co為6%,含Co越多,則韌性越好。

2) P類(YT)

即鎢鈷鈦類,由碳化鎢、碳化鈦和鈷組成。這類硬質合金耐熱性和耐磨性較好,但抗沖擊韌性較差,適用于加工鋼料等韌性材料。常用的牌號有:YT5、YT15、 YT30等,其中的數字表示碳化鈦含量的百分數,碳化鈦的含量越高,則耐磨性較好、韌性越低。這三種牌號的硬質合金制造的刀具分別適用于粗加工、半精加工和精加工。

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3) M類(YW)

即鎢鈷鈦鉭鈮類。由在鎢鈷鈦類硬質合金中加入少量的稀有金屬碳化物(TaC或NbC)組成。它具有前兩類硬質合金的優點,用其制造的刀具既能加工脆性材料,又能加工韌性材料。同時還能加工高溫合金、耐熱合金及合金鑄鐵等難加工材料。常用牌號有YW1、YW2。

三、刀具磨損和刀具壽命

在金屬切削加工中,產生的熱量和摩擦是能量的表現形式。由很高的表面負荷以及切屑沿刀具前刀面高速滑移而產生的熱量和摩擦,使刀具處于一種極具挑戰性的加工環境中。

切削力的大小往往會上下波動,主要取決于不同的加工條件(如工件材料中存在硬質成份,或進行斷續切削)。因此,為了在切削高溫下保持其強度,要求刀具具有一些基本特性,包括極好的韌性、耐磨性和高硬度。

盡管刀具/工件界面處的切削溫度是決定幾乎所有刀具材料磨損率的關鍵要素,但要確定計算切削溫度所需的參數值卻十分困難。不過,切削試驗的測量結果可以為一些經驗性的方法奠定基礎。

通常可以假定,在切削中產生的能量被轉化為熱量,而通常這些熱量的80%都被切屑帶走(這一比例的變化取決于幾個要素——尤其是切削速度)。其余大約20%的熱量則傳入刀具之中。即使在切削硬度不太高的鋼件時,刀具溫度也可能會超過550℃,這是高速鋼在硬度不降低的前提下能夠承受的最高溫度。用聚晶立方氮化硼(PCBN)刀具切削淬硬鋼時,刀具和切屑的溫度通常將超過1000℃。

對于刀具壽命,并沒有被普遍接受的統一定義,通常取決于不同的工件和刀具材料,以及不同的切削工藝。定量分析刀具壽命終止點的一種方式是設定一個可以接受的最大后刀面磨損極限值(用VB或VBmax表示)。刀具壽命可用預期刀具壽命的泰勒公式表示,即VcTn=C,該公式的一種更常用的形式為VcTn×Dxfy=C式中,Vc為切削速度;T為刀具壽命;D為切削深度;f為進給率;x和y由實驗確定;n和C是根據實驗或已發表的技術資料確定的常數,它們表示刀具材料、工件和進給率的特性。

不斷發展的最佳刀具基體、涂層和切削刃制備技術對于限制刀具磨損和抵抗切削高溫至關重要。這些要素,加上在可轉位刀片上采用的斷屑槽和轉角圓弧半徑,決定了每種刀具對于不同的工件和切削加工的適用性。所有這些要素的最佳組合能夠延長刀具壽命,使切削加工更經濟、更可靠。

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四、改變刀具基體

通過在1-5μm范圍內改變碳化鎢的粒度,刀具制造商可以改變硬質合金刀具的基體性能。基體材料的粒度對于切削性能和刀具壽命起著重要作用。粒度越小,刀具的耐磨性越好。反之,粒度越大,刀具的強韌性越好。細顆粒基體主要用于加工航空牌號材料(如鈦合金、Inconel合金和其他高溫合金)的刀片。

此外,將硬質合金刀具材料的鈷含量提高6%-12%,可以獲得更好的韌性。因此,可以通過調整鈷含量來滿足特定切削加工的要求,無論這種要求是韌性還是耐磨性。

刀具基體的性能還可以通過在接近外表面處形成富鈷層,或者通過在硬質合金材料中有選擇性地添加其他合金元素(如鈦、鉭、釩、鈮等)而獲得增強。富鈷層可以顯著提高切削刃強度,從而提高粗加工和斷續切削刀具的性能。

此外,在選擇與工件材料和加工方式相匹配的刀具基體時,還表現考慮另外5種基體特性——斷裂韌性、橫向斷裂強度、抗壓強度、硬度和耐熱沖擊性能。例如,如果硬質合金刀具出現沿切削刃崩刃的現象,就應該選用具有較高斷裂韌性的基體材料。而在刀具出現切削刃直接失效或破損的情況下,可能采用的解決方案是選用具有較高橫向斷裂強度或較高抗壓強度的基體材料。對于切削溫度較高的加工場合(如干式切削),通常應該首選硬度較高的刀具材料。在可以觀察到刀具產生熱裂紋的加工場合(在銑削加工中最常見),建議選用耐熱沖擊性能較好的刀具材料。

五、選擇正確的涂層

涂層也有助于提高刀具的切削性能。目前的涂層技術包括:

①氮化鈦(TiN)涂層:這是一種通用型PVD和CVD涂層,可以提高刀具的硬度和氧化溫度。

②碳氮化鈦(TiCN)涂層:通過在TiN中添加碳元素,提高了涂層的硬度和表面光潔度。

③氮鋁鈦(TiAlN)和氮鈦鋁(AlTiN)涂層:氧化鋁(Al2O3)層與這些涂層的復合應用可以提高高溫切削加工的刀具壽命。氧化鋁涂層尤其適合干式切削和近干切削。AlTiN涂層的鋁含量較高,與鈦含量較高的TiAlN涂層相比,具有更高的表面硬度。AlTiN涂層通常用于高速切削加工。

④氮化鉻(CrN)涂層:這種涂層具有較好的抗粘結性能,是對抗積屑瘤的首選解決方案。

⑤金剛石涂層:金剛石涂層可以顯著提高加工非鐵族材料刀具的切削性能,非常適合加工石墨、金屬基復合材料、高硅鋁合金和其他高磨蝕性材料。但金剛石涂層不適合加工鋼件,因為它與鋼的化學反應會破壞涂層與基體的粘附性能。

近年來,PVD涂層刀具的市場份額有所擴大,其價格也與CVD涂層刀具不相上下。CVD涂層的厚度通常為5-15μm,而PVD涂層的厚度約為2-6μm。在涂覆到刀具基體上時,CVD涂層會產生不受歡迎的拉應力;而PVD涂層則有助于對基體形成有益的壓應力。較厚的CVD涂層通常會顯著降低刀具切削刃的強度。因此,CVD涂層不能用于要求切削刃非常鋒利的刀具。

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